塔山礦3-5煤自然氧化氣體生成規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

范森山

（中煤大同能源有限責(zé)任公司 塔山煤礦，山西 大同 037000）

0 引 言

已有研究表明，一般情況下煤的自然發(fā)火過(guò)程經(jīng)歷3個(gè)不同發(fā)展階段，即緩慢氧化發(fā)展階段、加速氧化階段和激烈氧化階段，不同氧化階段煤溫度變化范圍和氣體產(chǎn)物種類與濃度不一樣[1-3]。通?？捎糜陬A(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火進(jìn)程的氣體產(chǎn)物包括CO、CO2、C1-C4烷烴、C2-C3烯烴及C2H2等。煤自燃?xì)怏w產(chǎn)物包括煤自身氧化產(chǎn)生的氣體和成煤過(guò)程中的吸附性氣體[4-6]。煤吸附氣體主要為CH4和CO2，另有微量其他烷烴類氣體，如C2H6、C3H8、C4H10。煤自燃氧化過(guò)程除生成上述所有氣體外，還生成CO、C2H4、C3H6和C2H2等氣體，這幾種氣體組份可作為煤自燃氧化進(jìn)程的標(biāo)志性氣體。

中煤塔山礦為近距離煤層群開(kāi)采，3-5號(hào)層在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)采空區(qū)有毒有害氣體異常涌出現(xiàn)象，為加強(qiáng)煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，制定合理的防滅火方案，對(duì)30515工作面煤層自燃氧化過(guò)程生氣規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 工作面概況及煤自燃傾向性

中煤塔山30515工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開(kāi)采方法，全部垮落法管理采空區(qū)。工作面主采3-5號(hào)煤層，距地表垂高380 m左右。工作面走向長(zhǎng)度1 756 m，傾向長(zhǎng)度160 m，煤層傾角2°～9°，平均4°，煤厚12.70～18.50 m，平均14.04 m，采高4 m，放煤高度10.04 m。30515工作面北部為礦界，東部為實(shí)煤區(qū)，南部為1045回風(fēng)大巷，西部為30501工作面采空區(qū)，間隔煤柱10 m，上覆2號(hào)煤層10201工作面和10215工作面采空區(qū)，層間距4.41～4.85 m，平均4.64 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 3051 5綜放工作面Fig.1 30515 comprehensive caving working face

中煤塔山礦為低瓦斯礦井。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量4.95 m3/min，相對(duì)涌出量為0.8 m3/t，工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量1.83 m3/min，掘進(jìn)面最大絕對(duì)瓦斯涌出量0.36 m3/min；礦井二氧化碳最大絕對(duì)涌出量7.08 m3/min，相對(duì)涌出量1.14 m3/t。煤樣無(wú)灰基揮發(fā)分34.75%，煤的吸氧量0.43 cm3/g，為Ⅱ類自燃煤層，煤層最短自然發(fā)火期83 d。

2 煤自燃氧化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用沈陽(yáng)煤科院研制的煤自然發(fā)火模擬測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、色譜分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。煤自然發(fā)火模擬測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 煤自然發(fā)火模擬測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of coal spontaneous combustion simulation test system

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

選取30515綜放工作面以及后溜槽放頂煤為實(shí)驗(yàn)煤樣。井下取得煤樣后，首先送至實(shí)驗(yàn)室采用煤樣粉碎機(jī)進(jìn)行破碎，篩分出粒度為100目的煤樣50 g，將煤樣放入存儲(chǔ)罐內(nèi)，隨后置于程序控溫箱內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)各氣路管道進(jìn)行氣密性檢查，校準(zhǔn)無(wú)誤后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以100 cm3/min的速度向煤樣室充入干空氣，控溫箱初始溫度設(shè)置為25℃，升溫速度在25～80℃時(shí)控制為0.5℃/min，80～200℃時(shí)為1.0℃/min，200～300℃時(shí)為2.0℃/min，加熱過(guò)程氣體取樣間隔時(shí)間控制為20 min每次。分別研究了正常供氧環(huán)境即O2體積分?jǐn)?shù)為20.9%時(shí)的自燃氧化過(guò)程，如圖3～圖5所示，以及O2體積分?jǐn)?shù)為10.0%、7.0%的低氧環(huán)境煤的氧化過(guò)程，如圖6～圖7所示。

圖5 煤樣自然發(fā)火過(guò)程烯烷比Fig.5 Ratio of ene to alkanes during spontaneous combustion of coal sample

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 3-5煤自燃氧化氣體生成規(guī)律

（1）CO、CO2、CH4氣體生成規(guī)律。

CO是煤氧化過(guò)程中出現(xiàn)最早的氧化氣體產(chǎn)物，且貫穿于整個(gè)煤樣氧化過(guò)程，如圖3所示。研究煤樣CO產(chǎn)生的臨界溫度為49℃。CO氣體生成量隨煤樣溫度升高大體呈指數(shù)型增加，煤溫升至137℃之前，生氣量較低，137～191℃時(shí)增速加快，191℃后增速進(jìn)一步增大。CO2生氣量隨煤樣溫度升高同樣呈指數(shù)型增加，煤溫升至85℃之前，生氣量較低，85℃至191℃時(shí)增速加快，191℃后增速急劇增大。CH4生氣量隨煤樣溫度升高呈3個(gè)階段，煤溫升至159℃之前，生氣量較低，159～231℃時(shí)增速加快，231℃后增速進(jìn)一步增大。

圖3 煤樣升溫氧化過(guò)程常規(guī)氣體體積分?jǐn)?shù)變化Fig.3 Changes of conventional gas volume fraction during heating oxidation of coal samples

（2）其他烴類氣體生成規(guī)律。

煤自燃氧化過(guò)程中，烷烴氣體C2H6、C3H8、C4H10與烯烴氣體C2H4、C3H6生成規(guī)律一致，隨煤溫升高呈緩慢增長(zhǎng)—加速增長(zhǎng)—降低3個(gè)階段，且各變化階段臨界溫度同步；隨煤溫升高，各烴類氣體生成量隨C原子數(shù)增多而減少；隨煤溫升高，烷烴類氣體生成量＞烯烴類＞炔烴類，如圖4所示。由各烴類氣體生氣規(guī)律，可推測(cè)除部分CH4為吸附氣外，其余CH4及各烴類氣體主要是實(shí)驗(yàn)煤樣自燃氧化過(guò)程所生成。C2H2氣體生成表明煤氧化進(jìn)入燃燒階段，隨煤溫升高而增多，生氣量微少。

圖4 煤樣升溫氧化過(guò)程烴類氣體體積分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Volume fraction change of hydrocarbon gases during heating oxidation of coal samples

結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程O2消耗量及CO、CO2生氣量變化，可知實(shí)驗(yàn)煤樣在自然氧化過(guò)程同樣遵循3個(gè)發(fā)展階段，其中緩慢氧化發(fā)展階段，煤溫＜159℃，耗氧量低，CO、CO2生成緩慢；加速氧化階段，C2H4氣體生成，煤溫159～231℃，耗氧量開(kāi)始增大，CO、CO2生氣量逐漸增大；激烈氧化階段，煤溫＞231℃，烯烷比達(dá)峰值（圖5），耗氧量急劇增大，O2體積分?jǐn)?shù)快速下降，CO2生氣量陡增，CO生氣量也呈現(xiàn)大幅增加。

實(shí)驗(yàn)煤樣取自低瓦斯礦井煤層，煤吸附CH4、CO2量較低，由圖3、圖4可知，在煤溫較低的緩慢氧化階段，亦即煤樣初始加熱階段，已有CO2和CH4生成，而其他烷烴類、烯類和C2H2氣體直到加速氧化階段后才陸續(xù)生成，因此推測(cè)初期生成的CO2和CH4氣體主要為吸附氣，且煤中CO2的吸附量要高于CH4。

2.3.2 不同供氧環(huán)境煤自燃氧化氣體產(chǎn)物

對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行了不同供氧環(huán)境自然發(fā)火模擬試驗(yàn)，供給的氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為20.9%、10.0%和7.0%。圖6、圖7為不同供氧量CO、C2H4、C3H6的生氣特征。

圖6 不同供氧量煤樣升溫氧化時(shí)CO生氣特征Fig.6 Characteristics of COgas generation during heating oxidation of coal samples with different oxygen supply

圖7 不同供氧量煤樣升溫氧化時(shí)烯烴生氣特征Fig.7 Olefin gas generation characteristics of coal samples with different oxygen supply during heating oxidation

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)煤樣在不同供氧條件下各氣體產(chǎn)物隨煤溫升高整體變化趨勢(shì)一致；相同溫度條件，各主要?dú)怏w產(chǎn)物生氣量隨供氧量降低而減少，即降低氧氣體積分?jǐn)?shù)能有效擬制煤的氧化。

3 結(jié) 論

（1）中煤塔山礦3-5號(hào)煤自燃氧化過(guò)程CO、CO2生氣量隨煤樣溫度升高呈指數(shù)型增加，CO產(chǎn)生的臨界溫度為49℃。緩慢氧化階段，煤溫＜159℃，吸附性的CO2和CH4氣體逸散；加速氧化階段，煤溫159～231℃；激烈氧化階段，煤溫＞231℃，烯烷比達(dá)峰值，耗氧量急劇增大，CO2生氣量陡增。

（2）3-5號(hào)煤自燃氧化過(guò)程，烷烴氣體C2H6、C3H8、C4H10與烯烴氣體C2H4、C3H6生成規(guī)律一致，隨煤溫升高呈緩慢增長(zhǎng)—加速增長(zhǎng)—降低3個(gè)階段；隨煤溫升高，各烴類氣體生成量隨C原子數(shù)增多而減少；隨煤溫升高，烷烴類氣體生成量＞烯烴類＞炔烴類。

（3）相同溫度條件，各主要?dú)怏w產(chǎn)物生氣量隨供氧量降低而減少，表明降低氧氣體積分?jǐn)?shù)能有效擬制3-5號(hào)煤的氧化。